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UTA6905在超聲波電子式水表中的應用
作者：
時(shí)間：2016-12-16
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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1. 概述
電子式水表，也稱(chēng)智能水表，是指具備預付費功能或遠傳功能的水表，它是微電子技術(shù)、現代傳感技術(shù)和智能IC卡技術(shù)結合的產(chǎn)物，在數據傳遞及交易結算方面，電子式水表比傳統水表在抄表方式和數據統計方面都有很大優(yōu)勢，電子式水表應符合國家GB/T778-2007《封閉滿(mǎn)管道中水流量的測量 飲用冷水水表和熱水水表》和住建部CJ/T224-2012《電子遠傳水表》的技術(shù)要求。所謂超聲波電子式水表是指該類(lèi)電子水表的流量計量采用超聲波技術(shù)方案，和傳統基于葉輪旋轉的機械式流量采集方案相比，超聲波水表具備機械結構簡(jiǎn)單，計量過(guò)程無(wú)壓力損耗，流量采集精度受水質(zhì)影響小，量程寬的優(yōu)點(diǎn)。對于家用小口徑表，目前國外品牌的超聲波水表精度和價(jià)格都比較高，國內的研發(fā)雖然初級階段，但可以觀(guān)察到近一兩年來(lái)主流水表廠(chǎng)商的研發(fā)力度不斷加大，已經(jīng)有產(chǎn)品推出市場(chǎng)，隨著(zhù)階梯水價(jià)的實(shí)施以及國家對物聯(lián)網(wǎng)的深入推廣，超聲波電子式水表將迎來(lái)廣闊的市場(chǎng)前景。
在現有超聲波水表技術(shù)方案中，大體包含噪聲法、相關(guān)法和傳播速度差法三種，基于精度、功耗、可實(shí)現性方面的考慮，速度差法是目前較為成熟的一種方式，隨著(zhù)微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，一系列可用于超聲波水表的專(zhuān)用芯片不斷推出，例如ACAM公司的GP22，ICCI公司的UTA6903B等。ICCI于2014年推出了一款超聲波流量計量芯片UTA6905，具備更高的測量精度和穩定性，本文將詳細介紹UTA6905在超聲波電子式水表中的應用。
2. 超聲波流量測量原理
采用超聲波進(jìn)行流量測量的基本原理是利用超聲波在順逆流流體中的傳播時(shí)差，推算出流體的速度，再根據面積積分法推算出當前的瞬時(shí)流量，對瞬時(shí)流量進(jìn)行積分計算出累積流量，計算過(guò)程中還需要考慮溫度對聲速的影響等。
圖1:超聲波流量測量原理
圖1所示，管道上安裝有一對換能器：順流換能器和逆流換能器，管道直徑為D，超聲波聲程為L(cháng)，順流傳播時(shí)間為tu，逆流傳播時(shí)間為td，超聲波傳播防線(xiàn)與流體方向夾角為θ，根據速度的疊加原理，在水流速度v的作用下，超聲波順流傳播時(shí)間要比逆流傳播時(shí)間短，其時(shí)間差可以計算出來(lái)。
公式4得到的速度v是沿聲道方向的線(xiàn)平均速度，由于流體的流速沿管道直徑的不均勻分布，線(xiàn)平均速度v并不等于實(shí)際的流速，需要乘上流速分布修正系數k，才能得到截面的平均流速，再乘以管道的截面積，得到瞬時(shí)流量Q。
圖2：超聲波在純水中的傳播速度與溫度的關(guān)系
從公式4看，流體流速v是聲速c和傳播時(shí)差△t的函數，因為超聲波在水中的傳播速度c是一個(gè)隨溫度變化的值，如圖2所示。所以在超聲波水表中，除了對順逆流傳播時(shí)差△t進(jìn)行測量，還需要對流體溫度進(jìn)行測量，通過(guò)查表得到當前溫度下的超聲波傳播速度c。
在公式5中，流速分布修正系數k代表管道內流體的面平均速度與超聲波水表測量到的線(xiàn)平均速的的比值，k的取值與雷諾系數Re有關(guān)，但關(guān)系復雜，在整個(gè)流量范圍內呈現明顯的非線(xiàn)性特點(diǎn)，主要原因在于隨著(zhù)流速由慢至快，流體會(huì )經(jīng)過(guò)層流、過(guò)渡流和紊流的不同區域，各個(gè)區域呈現不同的流速分布，實(shí)際中常采用擬合直線(xiàn)方程的方式[3]對k值進(jìn)行分段校正，將測量誤差降低至標準之內，這個(gè)過(guò)程一般在產(chǎn)品量產(chǎn)的校表環(huán)節進(jìn)行。
3. 基于UTA6905的超聲波水表流量采集方案
3.1. UTA6905芯片簡(jiǎn)介
UTA6905是一款超聲波流量表和超聲波熱量表的專(zhuān)用芯片，其內部結構如圖3所示，集成了相位差測量單元、溫度測量單元、脈沖發(fā)生器等設計超聲波電子式水表必需功能，芯片采用了先進(jìn)的時(shí)間數字轉換技術(shù)，對時(shí)差的測量分辨率可達32ps，溫度測量單元分辨率高達0.002℃；此外芯片還集成了第一波檢測、換能器回波振幅檢測、換能器斷線(xiàn)檢測等額外功能，使水表可以完成部分自診斷功能，智能化水平得以提高。
圖3:UTA6905內部結構圖
UTA6905采用QFN32或LQFP32兩種封裝；芯片采用SPI口與外部MCU進(jìn)行通信，內部包含4個(gè)32位的配置寄存器、4個(gè)32位的結果寄存器以及1個(gè)32位的狀態(tài)寄存器；UTA6905還包含一個(gè)低電平有效的中斷引腳INTN，可用于在測量結束后喚醒外部MCU；比較器和時(shí)間測量單元等功耗比較大的元件只有在工作時(shí)才開(kāi)啟，在應用中大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，靜態(tài)電流低至納安級別，適用于電池供電場(chǎng)合，UTA6905的詳細資料可以參考其數據手冊[1]，不再贅述。
3.2. 基于UTA6905的電子水表流量采集方案
采用UTA6905設計的超聲波電子式水表方案框圖如圖4所示，給出了詳細的流量采集相關(guān)的外圍電路：時(shí)鐘部分包括一個(gè)32768HZ的晶體振蕩器和一個(gè)4MHz的陶瓷振蕩器，相位差測量電路需要一對諧振頻率1MHz的超聲波換能器和一對由電阻電容構成的信號通路，溫度測量電路需要一只PT1000熱電阻、一只低溫漂(50ppm)的1K歐姆電阻和一只100nF充放電電容，主控芯片選擇了一款低功耗的MSP430系列MCU，通過(guò)IO口連接UTA6905的SPI引腳和中斷引腳；此外還包括電源穩壓電路、LCD顯示電路，通信方面可支持紅外、MBUS等功能，以實(shí)現無(wú)線(xiàn)抄表或數據的遠傳。
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